趙蒙 鄧瑞 譚博仁 張旭 楊美林

摘 要：利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)加固土體近年來越來越受到研究者的關(guān)注，但關(guān)于溫度、顆粒粒徑和濃度等因素對(duì)MICP固化土壤的影響的相關(guān)研究規(guī)律總結(jié)尚不充分.為了進(jìn)一步提高M(jìn)ICP技術(shù)固化土體的效率，從對(duì)各種影響因素的試驗(yàn)研究出發(fā)，總結(jié)了3種影響因素在微生物固化土體反應(yīng)進(jìn)程中的相關(guān)結(jié)論.發(fā)現(xiàn)提高菌液濃度能增大碳酸鈣產(chǎn)量，而濃度過高會(huì)抑制脲酶活性，對(duì)固化效果產(chǎn)生反作用；應(yīng)用MICP技術(shù)的溫度為30 ℃時(shí)，菌液活性與碳酸鈣產(chǎn)量等方面達(dá)到最佳；選用顆粒級(jí)配良好的土體試樣能較大程度提高改良土體的強(qiáng)度，加固效果更好，有效粒徑范圍為10～1 000 μm，但顆粒級(jí)配的影響程度研究尚不夠深入，需要進(jìn)一步加以研究.

關(guān)鍵詞：濃度;溫度;顆粒粒徑;MICP

中圖分類號(hào)：TU472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004－5422（2023）03－0307－05DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.013

0 引 言

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)固化土體的方法作為一種新型的土體加固與修復(fù)技術(shù)，比傳統(tǒng)的固化土體技術(shù)具有更經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、綠色的特點(diǎn)，因此逐漸受到研究者的重視.目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)MICP技術(shù)固化土體效果的各種影響因素已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，比如濃度、環(huán)境溫度和顆粒粒徑等因素對(duì)脲酶活性、碳酸鈣（CaCO3）生成量、CaCO3晶體形態(tài)，以及土體試樣的強(qiáng)度等方面的具體影響，能在一定程度上推進(jìn)MICP技術(shù)在土體固化領(lǐng)域的應(yīng)用.研究人員通過對(duì)不同濃度、不同溫度和不同顆粒粒徑的土體顆粒級(jí)配分別進(jìn)行試驗(yàn)，主要測(cè)試了固化后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)、孔隙率、CaCO3沉淀量等改良土體性質(zhì)的主要影響參數(shù).然而，對(duì)于這些主要影響因素的試驗(yàn)研究目前尚沒有統(tǒng)一的規(guī)律總結(jié)，本文通過結(jié)合相關(guān)的研究成果，深入分析了各個(gè)試驗(yàn)對(duì)不同因素的研究，較為統(tǒng)一地總結(jié)了濃度、環(huán)境溫度和顆粒級(jí)配對(duì)MICP固化土體的影響，對(duì)于MICP固化土體的研究具有一定意義，為以后研究MICP技術(shù)的參數(shù)變量提供參考依據(jù).

1 MICP作用機(jī)制

MICP固化土體首先是把微生物（例如巴氏芽孢桿菌）注入土體，然后微生物依附于土體生長(zhǎng)繁殖，微生物代謝作用會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)離子使細(xì)胞表面帶負(fù)電荷，從而能夠吸附Ca2+，經(jīng)過代謝作用后產(chǎn)生脲酶，同時(shí)脲酶水解尿素后會(huì)產(chǎn)生NH+和CO2-3，在NH+營(yíng)造的堿性環(huán)境下CO2-3和Ca2+相結(jié)合生成CaCO3（見圖1），當(dāng)CaCO3沉積到一定的程度后，與土顆粒相結(jié)合形成一個(gè)整體，以此改變土體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)土體固化的目的（見圖2）［1］.

2 濃 度

濃度是影響MICP技術(shù)固化土體應(yīng)用的重要因素之一，這里主要包括菌液濃度和膠結(jié)液濃度，膠結(jié)液主要為尿素和Ca2+源的混合液，通過改變配比研究膠結(jié)液對(duì)MICP固化土體的影響.不同物質(zhì)的濃度對(duì)CaCO3生成量、晶體形貌、穩(wěn)定性與脲酶活性等方面具有較大影響.

2.1 菌液濃度

李娜等［2］通過微生物灌漿試驗(yàn)研究不同菌液濃度對(duì)固化砂土的影響，設(shè)置不同的菌液濃度進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著菌液濃度的增加，菌液的活性有了明顯升高，砂柱抗壓強(qiáng)度逐漸提髙，滲透系數(shù)逐漸減小，菌液濃度在5～15 mol/L時(shí)，結(jié)晶體生長(zhǎng)比較充分，微生物結(jié)晶體包裹更好，加固的效果達(dá)到最優(yōu).菌液濃度密切影響著脲酶的濃度，而相同濃度的脲酶溶液和巴氏芽孢桿菌菌液，在反應(yīng)過程中反應(yīng)速率前者更高，一定程度上是由于菌液生成脲酶用于反應(yīng)需要一定時(shí)間，但進(jìn)行CaCO3沉淀的過程中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，細(xì)菌的催化效果逐漸優(yōu)于脲酶溶液.趙茜［3］在其他條件不變的情況下，通過增大菌液濃度或脲酶濃度，發(fā)現(xiàn)能有效提高尿素水解的速率，進(jìn)而提高CaCO3的生成量.一般情況下，菌液濃度的取值越大，微生物固化土體的效果越好，但要考慮到工程的實(shí)用性，對(duì)于不同的工程要求，菌液濃度應(yīng)該有所差異.李彬瑜［4］對(duì)砂土的研究結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)滲透性有較高需求時(shí)，則菌液濃度的OD600值取1.5左右最佳；若對(duì)砂土強(qiáng)度有較高的需求時(shí)，那么菌液濃度OD600值最好取2左右.

2.2 膠結(jié)液濃度

不同的Ca2+濃度對(duì)CaCO3晶體沉淀、沉淀的效率與晶體的質(zhì)量有較大的影響.李成杰等［5］將不同濃度的氯化鈣（CaCl2）溶液與一定濃度尿素溶液反應(yīng)誘導(dǎo)CaCO3沉積，研究結(jié)果表明，隨著CaCl2溶液濃度逐漸增加，CaCO3晶體的質(zhì)量先上升后下降，且CaCl2溶液濃度越高，CaCO3晶體質(zhì)量越少［5］.但Ca2+作為生成CaCO3的原料，對(duì)脲酶的活性有一定的限制作用.趙茜［3］研究Ca2+濃度的影響程度時(shí)，設(shè)置0～2.00 mol/L濃度的CaCl2和尿素混合液各13.5 mL，尿素濃度為2.00 mol/L，加入細(xì)菌溶液反應(yīng)0.5 h后，可以發(fā)現(xiàn)，隨著CaCl2溶液濃度的增加，脲酶的活性逐漸降低，表明了高濃度的CaCl2溶液對(duì)脲酶活性有明顯的抑制作用.與此同時(shí)，Ca2+濃度對(duì)反應(yīng)后生成的CaCl2晶型有一定的影響，王瑞興等［6］利用硝酸鈣（Ca（NO3）2）進(jìn)行CaCO3沉積，研究結(jié)果表明，Ca2+濃度由2mol/L降至1mol/L時(shí)，CaCl2晶體仍為方解石晶型，而顆粒形狀由規(guī)則球形變?yōu)橹睆綖?0 μm左右的花簇形，尺寸變大，但結(jié)晶度有一定的提高.胡其志等［7］利用反硝化微生物進(jìn)行微生物固化砂土的試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，在Ca2+濃度為0.25mol/L時(shí)，Ca2+∶NO2-∶NO3-比例為1∶2∶2時(shí)的膠結(jié)液MICP灌漿效果最佳，Ca2+溶液濃度相同時(shí)，氮（N）源含量增加，能有效提高試樣的強(qiáng)度參數(shù).徐柳笛［8］在進(jìn)行微生物固化淤泥質(zhì)軟土的試驗(yàn)中，使用體積比為1∶1的尿素和氯化鈣溶液配置膠結(jié)液，研究結(jié)果顯示，過高濃度的膠結(jié)液會(huì)對(duì)脲酶活性產(chǎn)生抑制作用，不利于MICP反應(yīng)的進(jìn)行，使用拌和法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在菌液濃度為0.9 mol/L時(shí)，膠結(jié)液濃度在1～1.5mol/L時(shí)最佳.趙茜［3］發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，尿素濃度的增加可以明顯提高脲酶活性，將MICP應(yīng)用于固化土體時(shí)，可以適當(dāng)提高尿素濃度，來增強(qiáng)細(xì)菌的脲酶活性.

利用MICP固化土體時(shí)，增大菌液濃度能提高菌液活性，提高水解尿素的速率，增大CaCO3生成量，在進(jìn)行膠結(jié)液的配置時(shí)，應(yīng)該選取較為適中的Ca2+濃度，較高的Ca2+濃度會(huì)對(duì)脲酶活性產(chǎn)生明顯的抑制作用；在有效范圍內(nèi)（低于1.6 mol/L）選擇最大的尿素濃度，可以此提高脲酶的活性.

3 溫 度

環(huán)境溫度的變化對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)、繁殖和生命活動(dòng)有極大的影響，間接影響到CaCO3生成的含量、晶型與晶體大小等，從而對(duì)微生物固化土體的效果產(chǎn)生直接影響.

趙茜［3］在進(jìn)行微生物加固黏土的機(jī)制研究時(shí)，在20～35℃的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行菌液培養(yǎng)，溫度對(duì)巴氏芽孢桿菌的生成量有較顯著的影響，并確定30 ℃為最佳培養(yǎng)溫度；同時(shí)研究了不同溫度下脲酶的活性，試驗(yàn)結(jié)果與已有研究一致，純脲酶溶液的最適溫度為50 ℃.張銀峰等［9］通過研究不同溫度下的細(xì)菌濃度和活性，也確定了30 ℃培養(yǎng)溫度下的菌液活性和濃度最高.

已有研究表明，溫度對(duì)微生物誘導(dǎo)CaCO3的沉積量有所影響.彭劼等［10］在低溫下進(jìn)行微生物誘導(dǎo)CaCO3沉積固化土壤試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置10、14、18、21和25 ℃的溫度梯度進(jìn)行了MICP試管試驗(yàn)和MICP砂柱試驗(yàn)，通過研究發(fā)現(xiàn)，在一般的土壤環(huán)境下（10～25 ℃），溫度越高，CaCO3沉淀速率越快，生成的CaCO3量越多.Nemati等［11］的研究表明，CaCO3的生成速度在溫度從20 ℃提高到40 ℃時(shí)，顯著增加.趙曉婉等［12］通過MICP水溶液試驗(yàn)和MICP注漿砂柱試驗(yàn)對(duì)不同穩(wěn)定溫度下微生物誘導(dǎo)CaCO3生成量進(jìn)行測(cè)試，研究結(jié)果表明，在一定溫度范圍內(nèi)，巴氏芽孢桿菌的活性都是隨溫度先增后減，但是不同的穩(wěn)定溫度下細(xì)菌活性峰值、峰值出現(xiàn)的時(shí)間與衰減的速率都不相同，溫度越高，2組試驗(yàn)最終的CaCO3生成量都降低.

王瑞興等［6］設(shè)置了5、25和50 ℃的溫度梯度進(jìn)行微生物沉積CaCO3試驗(yàn)反應(yīng)研究（見表1），利用X射線衍射試驗(yàn)和電鏡掃描觀察沉積物，發(fā)現(xiàn)不同溫度下生成的CaCO3晶體晶型和晶體形貌都不相同，穩(wěn)定性也有一定的差異.彭劼等［13］設(shè)置了不同的溫度梯度進(jìn)行一維砂柱加固試驗(yàn)、細(xì)胞活性試驗(yàn)及MICP水溶液試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明（見圖3），水溶液中Ca2+消耗量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)和細(xì)菌活性的變化趨勢(shì)一致.CaCO3的最終沉積量較小的原因主要是較高溫度下細(xì)菌活性衰減較快.駱曉偉［14］通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，CaCO3晶體逐漸減小，試樣抗?jié)B性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CaCO3含量與孔隙填充量均先增大后減小.最佳抗?jié)B性、孔隙填充量和最高CaCO3含量對(duì)應(yīng)溫度均為30 ℃.由于溫度對(duì)CaCO3晶體尺寸的作用，最佳強(qiáng)度對(duì)應(yīng)溫度為20～30 ℃.CaCO3含量越高，試樣抗?jié)B性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高.

在細(xì)菌的培養(yǎng)階段，巴氏芽孢桿菌的生成量和菌液活性在30 ℃達(dá)到最高，且在30 ℃時(shí)CaCO3的生成率較高、形狀規(guī)則、結(jié)晶穩(wěn)定、分布均勻.因此，在進(jìn)行MICP技術(shù)固化土體的研究時(shí)，最佳選擇試驗(yàn)溫度應(yīng)在30 ℃左右.

4 顆粒粒徑

土體的顆粒級(jí)配也是影響微生物固化效果的重要指標(biāo)之一.一方面，土體顆粒要足夠大，以確保反應(yīng)中的化學(xué)物質(zhì)能順利通過顆粒間隙與細(xì)菌接觸；另一方面，土體顆粒又需要足夠小，才能使生成的CaCO3晶體能包裹土體顆粒并相互粘連在一起.但目前的MICP研究中，很多研究人員只是通過改變外部環(huán)境來對(duì)CaCO3的生成、穩(wěn)定性和分布是否均勻進(jìn)行研究，關(guān)于砂土顆粒自身的粒徑及顆粒級(jí)配對(duì)MICP固化砂土的影響研究卻很少.

崔明娟等［15］在利用MICP進(jìn)行微生物固化試驗(yàn)時(shí)，為確定粒徑大小對(duì)砂土的性能影響，選用了3種不同顆粒粒徑范圍的砂土，并基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、孔隙體積測(cè)量和電鏡掃描測(cè)試，研究結(jié)果表明，顆粒粒徑較小的砂土，顆粒間孔隙更容易被CaCO3晶體填充密實(shí)，同時(shí)獲得較大比例的有效CaCO3晶體，固化試樣的“結(jié)構(gòu)性”較強(qiáng)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高.靳貴曉等［16］對(duì)崩解性軟巖殘積土顆粒進(jìn)行試驗(yàn)研究，選用了4種不同的粒徑范圍，研究結(jié)果表明，顆粒級(jí)配對(duì)膠結(jié)效果有較大的影響，顆粒級(jí)配良好的土體顆粒更有利于菌體的附著和CaCO3的沉積，同時(shí)CaCO3生成量直接影響到孔隙率大小和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的大小.申振龍［17］采用3種粒徑的砂子進(jìn)行了砂土的膠結(jié)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粒徑較小的砂柱其上部CaCO3含量較高，而粒徑較大的砂柱其下部CaCO3含量較高.

尹黎陽等［18］總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果得出，MICP 加固土體的有效粒徑范圍為 10～1 000 μm，相對(duì)密度越大，級(jí)配越好，則加固效果越好.但很多研究學(xué)者對(duì)顆粒級(jí)配影響MICP的試驗(yàn)結(jié)論尚不統(tǒng)一，具體的粒徑影響固化機(jī)制還需要進(jìn)一步研究.李捷等［19］利用珊瑚砂進(jìn)行微生物固化試驗(yàn)以探究顆粒粒徑對(duì)固化效果的影響時(shí)，通過不同的粒徑級(jí)配分析細(xì)菌對(duì)試樣的吸附性、砂試樣的滲透性和強(qiáng)度的影響，研究表明，粒徑級(jí)配和孔隙比共同影響固化土體的效果，較適中的孔隙比能更好地保證砂顆粒和細(xì)菌的黏著性和滲透性達(dá)到最優(yōu)平衡，孔隙比高的級(jí)配良好試樣顆粒間CaCO3黏結(jié)較少，孔隙比低的級(jí)配不良試樣顆粒表面CaCO3覆蓋包裹較好，顆粒間CaCO3分布更連續(xù)均勻，滲透系數(shù)較低，抗壓強(qiáng)度較高.在研究微生物礦化巖土的作用機(jī)制時(shí)，一般利用拌和法進(jìn)行試驗(yàn)，董帥等［20］選用3種不同顆粒粒徑范圍的砂土進(jìn)行微生物拌和滲濾固化，并基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以及CaCO3含量、崩解率與吸水率的測(cè)試，對(duì)顆粒粒徑、滲濾次數(shù)及拌和配比對(duì)微生物固化效果的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明，試樣砂粒徑越小，拌和后產(chǎn)生的CaCO3含量越高，拌和配比為2∶8，粒徑為0.3～0.6 mm時(shí)，試樣的固化效果較好，抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)1.86 MPa，試樣的CaCO3含量和抗壓強(qiáng)度隨滲濾次數(shù)增加呈非線性增長(zhǎng)，隨粒徑增大強(qiáng)度上限呈上升趨勢(shì).

通過分析顆粒粒徑對(duì)微生物固化土體的影響，可以得出，MICP固化土體有效的粒徑范圍為10～1 000 μm，且顆粒級(jí)配良好、孔隙比適中，生成的CaCO3強(qiáng)度更高、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，土體的膠結(jié)性更好，能較大程度提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等改良土體性能.但實(shí)際在各種土體試驗(yàn)中，由于環(huán)境與試驗(yàn)參數(shù)的不同，眾多國(guó)內(nèi)外研究者的結(jié)論并不統(tǒng)一，顆粒級(jí)配作為影響MICP固化土體的重要指標(biāo)之一需繼續(xù)通過分領(lǐng)域分類別的研究.

5 討 論

溫度對(duì)于細(xì)菌培養(yǎng)、菌液活性、生成CaCO3的速率和含量，以及后期CaCO3和土體顆粒的粘結(jié)都有較大的影響.對(duì)于菌液活性、細(xì)菌生成量和CaCO3生成量，均在30 ℃左右較佳，但溫度對(duì)活性衰減速率也有一定的影響，從而間接影響到CaCO3最終生成量，因此在這方面仍需進(jìn)一步研究.

一般情況下，菌液濃度越高，菌液活性也越高，水解尿素的速率更高.而膠結(jié)液中的濃度過高會(huì)抑制脲酶活性，使CaCO3的生成量降低，CaCO3的形態(tài)和穩(wěn)定性較差，膠結(jié)液的配置中尿素可以適當(dāng)提高，以此增加脲酶活性.

顆粒級(jí)配良好的砂土生成的CaCO3更加致密，且可以提供更多“有效沉積鈣”的生成位置，固化后砂柱的“結(jié)構(gòu)性”更強(qiáng)，強(qiáng)度特性更好，CaCO3更均勻.顆粒級(jí)配良好的砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和干密度更大，滲透系數(shù)和含水率更小.但由于不同試驗(yàn)環(huán)境中的復(fù)雜狀況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于該因素的影響情況還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定論，顆粒粒徑的具體影響還需分類別繼續(xù)進(jìn)行研究.

微生物固化土壤技術(shù)因其工期短、能耗小、造價(jià)低且綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景.具體體現(xiàn)在以下方面：1）防風(fēng)固沙治理沙塵暴，固化山體防治滑坡泥石流等;2）應(yīng)用于隧道工程、混凝土修復(fù)、防水抗?jié)B與復(fù)雜地域施工巖土固化等;3）砂土改良、污染土修復(fù)、古建筑修復(fù)、混凝土修復(fù)與抑制飛塵等;4）可應(yīng)用于軟土地基的加固、液化土體的處理與生物封堵等.

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［20］董帥，徐國(guó)賓，楊德鋒.微生物拌和滲濾砂土固化試驗(yàn)研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2021，40（12）：96-105.

（實(shí)習(xí)編輯：羅 媛）

Abstract：The soil reinforcement technique by the Microbial Induced CaCO3 Precipitation （MICP） has increasingly attracted attention in recent years.However，the relevant research laws on the effects of factors such as temperature，grain size，and concentration on the MICP are not sufficiently summarized.To further study and enhance the efficiency of MICP technology to solidify soil，the study summarizes several important conclusions drawn in the reaction progress of microbial solidified soil based on experimental research on various influencing factors.The researches indicate that increasing the concentration of bacterial liquid can build up the yield of calcium carbonate，while the excessive concentration of calcium ions will inhibit urease activity and have a counter-effect on the curing effect.When the temperature of the MICP technology is at about 30 ℃，the activity of the bacterial liquid and the yield and morphology of calcium carbonate are the best.The selection of soil specimens with good grain composition can greatly enhance the strength of the improved soil and the reinforcement effect is better，and the effective particle size range is 10～1000 μm，but the study on the influence of the grain composition is not deep enough so that such influence needs to be further studied.

Key words：concentration;temperature;grain size;MICP

基金項(xiàng)目：2022年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練國(guó)家級(jí)項(xiàng)目（202211079015）

作者簡(jiǎn)介：趙 蒙（1988—），女，博士，從事微生物誘導(dǎo)碳酸鈣技術(shù)研究.E-mail：596698989@qq.com